FAST工程建設(shè)進(jìn)展?

南仁東 張海燕? 張瑩 楊麗 蔡文靜 劉娜 謝嘉彤 張蜀新

(1中國科學(xué)院國家天文臺 北京 100012) (2中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008)

FAST工程建設(shè)進(jìn)展?

南仁東1,2張海燕1,2?張瑩1楊麗1蔡文靜1劉娜1謝嘉彤1張蜀新1

(1中國科學(xué)院國家天文臺 北京 100012) (2中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008)

“十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目—500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)工程,是利用貴州天然喀斯特洼地作為望遠(yuǎn)鏡臺址,建造世界第一大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡—500 m口徑主動反射球面射電望遠(yuǎn)鏡,以實(shí)現(xiàn)大天區(qū)面積、高精度的天文觀測.FAST工程由中國科學(xué)院和貴州省人民政府聯(lián)合共建,于2016年9月25日竣工.

射電天文,射電望遠(yuǎn)鏡,FAST工程

1 引言

1993年,國際無線電科聯(lián)(URSI)京都大會上,包括中國在內(nèi)的10國射電天文學(xué)家聯(lián)合發(fā)起了新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”(Large Telescope,簡稱LT)的倡議,1999年易名為平方公里陣列(Square Kilometer A rray,簡稱SKA,網(wǎng)址https://www.skatelescope.org/),即接收面積為1 km2的巨型射電望遠(yuǎn)鏡,它的靈敏度將比目前世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡高2個數(shù)量級[1].這個將由多國合作建設(shè)的望遠(yuǎn)鏡陣列,總投資約10億美元,計(jì)劃建設(shè)10 yr,期望能在2020年后建成,至少運(yùn)行50 yr,因此又被稱為“21世紀(jì)的國際射電望遠(yuǎn)鏡”.

1995年底,以北京天文臺(現(xiàn)國家天文臺)為主,聯(lián)合國內(nèi)20余家大學(xué)和研究所成立了LT中國推進(jìn)委員會,提出了利用中國貴州喀斯特(KARST)洼地,建造球反射面即A recibo型天線陣的KARST工程概念[2].此天線陣由30余面口徑約300 m的球面天線組成,它將分布于方圓數(shù)百公里的范圍內(nèi),具有1′至100μas的多級分辨率,將從本質(zhì)上改善展源的射電天文成像能力.中國科學(xué)家為進(jìn)一步推進(jìn)KARST概念,提出獨(dú)立研制一臺新型的KARST單元—500m口徑主動球反射面望遠(yuǎn)鏡,即FAST[3?4].

2 工程簡介

2.1 FAST科學(xué)目標(biāo)

FAST具有極其重大的科學(xué)意義.它以接收面積為突破方向,可觀測的天體數(shù)目將大幅度增加,可為科學(xué)家提供更多、更好的觀測統(tǒng)計(jì)樣本,更可靠地檢驗(yàn)現(xiàn)代物理學(xué)、天文學(xué)的理論和模型;它將搜尋到更多的奇異天體,其中蘊(yùn)涵著大量新發(fā)現(xiàn)的機(jī)會.它的研究涵蓋廣泛的天文學(xué)內(nèi)容,從宇宙初始混濁、暗物質(zhì)暗能量與大尺度結(jié)構(gòu)、星系與銀河系的演化、恒星類天體,到太陽系行星與鄰近空間事件等的觀測研究.FAST擬回答的科學(xué)問題不僅是天文的,也是面對人類與自然的,它潛在的科學(xué)產(chǎn)出也許我們今天還難以預(yù)測.FAST主要的科學(xué)目標(biāo)包括:(1)巡視宇宙中的中性氫,研究宇宙大尺度物理學(xué),以探索宇宙起源和演化;(2)觀測脈沖星,研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律; (3)主導(dǎo)國際低頻甚長基線干涉測量網(wǎng),獲得天體超精細(xì)結(jié)構(gòu);(4)探測星際分子;(5)搜索可能的星際通訊信號.

FAST在國家重大需求方面也有重要應(yīng)用價值.它可將我國空間測控能力由月球延伸至太陽系外緣,將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高幾十倍.脈沖星到達(dá)時間測量精度由目前的120 ns提高至30 ns,成為國際上最精確的脈沖星計(jì)時陣,為自主導(dǎo)航這一前瞻性研究制作脈沖星鐘;進(jìn)行高分辨率微波巡視,以1 Hz的分辨率診斷識別微弱的空間訊號. FAST可作為國家重大科學(xué)工程“東半球空間環(huán)境地基綜合檢測子午鏈(子午工程)”的非相干散射雷達(dá)接收系統(tǒng),提高分辨率和觀測效率;跟蹤探測日冕物質(zhì)拋射事件,服務(wù)于空間天氣預(yù)報(bào)[5].

2.2 FAST創(chuàng)新與突破

FAST與國際上已有的巨型單口徑射電望遠(yuǎn)鏡相比,有3項(xiàng)主要特色:利用貴州省境內(nèi)喀斯特地貌中的天然洼坑作為臺址(見圖1);洼坑內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元,構(gòu)成500 m球冠狀主動反射面,球冠反射面在射電源方向形成300 m口徑瞬時拋物面,使望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)能與傳統(tǒng)拋物面天線一樣處在焦點(diǎn)上;采用輕型索拖動機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的高精度定位.

攜全新設(shè)計(jì)思路加得天獨(dú)厚的臺址優(yōu)勢,FAST突破了射電望遠(yuǎn)鏡的百米極限,開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式.它將擁有30個足球場大的接收面積,成為國際上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡,在10–20 yr內(nèi)處于國際領(lǐng)先地位[6].

圖1 貴州省黔南州平塘縣“大窩凼”洼地Fig.1 The Daw odang dep ression at P ingtang coun ty,Q iannan state,Gu izhou p rov ince

2.3 FAST工程建設(shè)目標(biāo)與內(nèi)容

FAST工程在貴州喀斯特洼地內(nèi)鋪設(shè)口徑為500 m的球冠形主動反射面,通過主動控制在觀測方向形成300m口徑瞬時拋物面;采用光機(jī)電一體化的索支撐輕型饋源平臺,加之饋源艙內(nèi)的二次調(diào)整裝置,在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下,實(shí)現(xiàn)高精度的指向跟蹤;在饋源艙內(nèi)配置覆蓋頻率70 MHz–3 GHz的多波段、多波束饋源和接收機(jī)系統(tǒng);針對科學(xué)目標(biāo)發(fā)展不同用途的終端設(shè)備;建造一流的天文觀測站.

為實(shí)現(xiàn)上述建設(shè)目標(biāo),我們需要完成以下6項(xiàng)主要建設(shè)內(nèi)容:(1)臺址勘察與開挖:查清臺址工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,開挖清理洼地,使其滿足望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的需要.(2)主動反射面:建設(shè)上萬根鋼索和數(shù)千個反射單元組成的球冠型索膜結(jié)構(gòu),口徑約500 m,球冠張角110?–120?,拋物面變形的均方差為5mm.(3)饋源支撐系統(tǒng):建設(shè)公里尺度的鋼索支撐體系,在饋源艙內(nèi)安裝并聯(lián)機(jī)器人用于二級調(diào)整,最終調(diào)整定位精度為10 mm. (4)測量與控制:建設(shè)洼地基準(zhǔn)網(wǎng)和基準(zhǔn)站、激光全站儀和近景測量系統(tǒng),百米距離測量精度2mm,采用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)千點(diǎn)自動控制.(5)接收機(jī)與終端:研制高性能的多波束饋源接收機(jī),頻率覆蓋70 MHz–3 GHz.研制饋源、低噪聲致冷放大器、寬頻帶數(shù)字中頻傳輸設(shè)備、高穩(wěn)定度的時鐘和高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備等.配置多用途數(shù)字天文終端設(shè)備.(6)觀測基地建設(shè):建立望遠(yuǎn)鏡觀測室、終端設(shè)備室、數(shù)據(jù)處理中心、各關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、辦公樓和綜合服務(wù)體系等.

3 FAST工程建設(shè)進(jìn)展

自2011年3月FAST開工報(bào)告批復(fù)以后,FAST項(xiàng)目正式進(jìn)入工程實(shí)施階段,主體工程介紹如下.

3.1 臺址開挖與邊坡治理

在前期多年艱苦選址工作基礎(chǔ)上,從300余個候選洼地中選出了位于貴州省黔南苗族布依族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼作為FAST臺址.

臺址勘察與開挖系統(tǒng)完成了地形圖測繪、臺址勘察、施工圖設(shè)計(jì)、臺址開挖及臺址監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)等主要工程任務(wù).2010年3月完成了臺址詳勘,隨后對臺址巖土工程進(jìn)行了專項(xiàng)勘察.得到兩項(xiàng)勘察報(bào)告后,2011年3月臺址開挖工作正式啟動,2012年12月, FAST臺址開挖與邊坡治理工程通過驗(yàn)收.

3.2 主動反射面系統(tǒng)

主動反射面系統(tǒng)主要由約500m直徑的圈梁,6670根鋼索構(gòu)成的主索網(wǎng),4300塊邊長約11m的三角形反射面單元,2225根下拉索、地錨及促動器構(gòu)成.

圈梁是FAST索網(wǎng)的支撐結(jié)構(gòu),由承臺基礎(chǔ)、格構(gòu)柱及環(huán)梁構(gòu)成,形成直徑為500 m的圓周.2014年9月11日,圈梁制造和安裝工程完工并通過驗(yàn)收(見圖2).

FAST索網(wǎng)是世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu),也是世界上第1個采用變位工作方式的索網(wǎng)體系.索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是FAST主動反射面的主要支撐結(jié)構(gòu),是反射面主動變位工作的關(guān)鍵點(diǎn).索網(wǎng)制造與安裝工程也是500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程的主要技術(shù)難點(diǎn)之一.索網(wǎng)工程于2014年7月17日正式開始,于2015年2月4日順利完成合攏.

圖2 “大窩凼”FAST工程施工過程Fig.2 FAST construction at the Daw odang dep ression

FAST圈梁及索網(wǎng)工程獲“中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎”特等獎,意味著FAST工程已經(jīng)在上述關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)方面實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破,也為我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的提升作出重要貢獻(xiàn).

FAST反射面單元主要由面板單元、背架、調(diào)整裝置、連接機(jī)構(gòu)等組成,有187個種類,考慮到反射面單元為空間結(jié)構(gòu)不能鏡像,實(shí)際種類為342種.2015年8月2日,第1塊拼裝檢測合格的反射面單元在FAST工程現(xiàn)場成功吊裝,FAST工程建設(shè)進(jìn)入最后沖刺階段,2016年7月3日最后一片反射面板吊裝完成,標(biāo)志著FAST工程主體工程的順利完工(見圖3).

圖3 FAST反射面板吊裝完成Fig.3 Com p letion of FAST reflector insta llation

反射面液壓促動器在上位控制系統(tǒng)的控制下,通過液壓促動器活塞桿的伸縮實(shí)現(xiàn)精確定位、協(xié)同運(yùn)動,通過調(diào)整下拉索下端的位置,從而間接同步調(diào)整索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位置,實(shí)時實(shí)現(xiàn)滿足擬合精度的300m口徑瞬時拋物面,實(shí)現(xiàn)天文觀測的跟蹤,換源等運(yùn)動要求. 2015年7月完成了全部促動器的制造、現(xiàn)場安裝和調(diào)試工作.

3.3 饋源支撐系統(tǒng)

饋源支撐系統(tǒng)主要由6座百米高的支撐塔、6套公里尺度的柔性鋼索體系及驅(qū)動裝置、1個重約30噸的饋源艙和1座直徑約20m的艙?？科脚_構(gòu)成.

最先進(jìn)入施工的6基饋源支撐塔是FAST饋源支撐系統(tǒng)的主體承載結(jié)構(gòu),是鋼索承載和驅(qū)動的依托支架,并為塔頂導(dǎo)向滑輪提供足夠剛性的支撐平臺,保證驅(qū)動鋼索能夠牽引饋源艙在預(yù)定軌跡上運(yùn)動.饋源塔制造與安裝工程于2014年3月15日正式開始現(xiàn)場安裝工作,2014年11月30日通過竣工驗(yàn)收.

索驅(qū)動作為世界上在建的最大繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu),是FAST工程的三大自主創(chuàng)新技術(shù)之一.它由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、纜索裝置、控制系統(tǒng)、設(shè)備基礎(chǔ)及其他附屬設(shè)施組成.2015年2月10日,FAST望遠(yuǎn)鏡索驅(qū)動第1根支撐索安裝成功.2015年11月完成六索驅(qū)動機(jī)構(gòu)的安裝工作,進(jìn)入六索聯(lián)調(diào)階段.

饋源艙是饋源支撐系統(tǒng)的核心部件,主要包括星形框架、AB軸機(jī)構(gòu)、Stewart平臺、多波束接收機(jī)轉(zhuǎn)向裝置、艙罩和其他附屬設(shè)備/設(shè)施等.2014年10月,饋源艙的代艙開始在大窩凼現(xiàn)場進(jìn)行安裝,隨后配合索驅(qū)動的調(diào)試試驗(yàn).2015年3月,代艙完成預(yù)驗(yàn)收.代艙作為饋源艙的代替艙,主要用于FAST的前期調(diào)試和試驗(yàn).2015年11月21日上午11時,FAST望遠(yuǎn)鏡饋源支撐系統(tǒng)首次升艙成功,這標(biāo)志著FAST工程饋源支撐系統(tǒng)正式進(jìn)入六索帶載聯(lián)調(diào)階段.

3.4 測量與控制系統(tǒng)

測量與控制系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)測量、主動反射面測控、饋源位姿測控及望遠(yuǎn)鏡總控4個部分.要求對FAST進(jìn)行精確、快速、遠(yuǎn)距離的非接觸測量和對主反射面進(jìn)行實(shí)時控制.

測量基墩是FAST工程測量與控制系統(tǒng)的主體建筑.通過在大窩凼洼地內(nèi)建造24個伸出反射面的基墩,為高精度測量儀器提供穩(wěn)定可靠的安裝平臺,完成對反射面節(jié)點(diǎn)位置和饋源艙位姿測量,為反射面和饋源支撐控制提供測量數(shù)據(jù).該工程于2013年5月開始建造,2014年10月16日竣工驗(yàn)收.

望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)聯(lián)系、協(xié)調(diào)和控制各子系統(tǒng)操作,并監(jiān)測各部件運(yùn)行狀態(tài),排除故障,收集記錄運(yùn)行數(shù)據(jù),以及提供統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn).饋源支撐整體控制系統(tǒng)的主要功能有饋源支撐測量數(shù)據(jù)處理、天文軌跡規(guī)劃、饋源支撐整體控制和系統(tǒng)校時.主動反射面控制系統(tǒng)主要目標(biāo)是根據(jù)天文軌跡規(guī)劃和測量數(shù)據(jù),通過調(diào)整促動器的伸長量控制反射面節(jié)點(diǎn)位置,形成位置和面型準(zhǔn)確的拋物面.控制系統(tǒng)接收總控系統(tǒng)發(fā)來的天文觀測指令及時鐘信息,并綜合反射面測量和健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對2225個促動器進(jìn)行控制.目前,各分部工作全部完成,正在進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào).

3.5 接收機(jī)與終端系統(tǒng)

接收機(jī)與終端系統(tǒng)包括頻率覆蓋70 MHz–3 GHz的7套接收機(jī)及終端,時間頻率標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲和接收機(jī)監(jiān)視及診斷系統(tǒng).

2012年,完成了中頻信號光纖傳輸系統(tǒng)技術(shù)方案,并開展了射頻直接傳輸方案研究. 2013年,開展了中頻信號傳輸實(shí)驗(yàn).

在低頻寬帶接收機(jī)方面,通過與美國加州理工學(xué)院電子工程系多次討論,初步確定采用Caltech低頻寬帶接收機(jī)用于FAST工程低頻寬帶接收機(jī)建設(shè).覆蓋頻率范圍為0.27–1.62 GHz.它是FAST早期科學(xué)觀測的主要接收機(jī),將用于中性氫、脈沖星等觀測.2014年6月19日,國家天文臺和美國加州理工學(xué)院簽訂研制合同.2016年9月,低頻寬帶接收機(jī)已安裝在饋源艙下平臺,正在進(jìn)行調(diào)試和試觀測.

3.6 觀測基地建設(shè)系統(tǒng)

觀測基地建設(shè)是FAST望遠(yuǎn)鏡建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)的基礎(chǔ)保障,主要包括兩個部分:觀測基地基本建設(shè)和公用及配套設(shè)施.

FAST工程臺址進(jìn)場道路全長約7 km,2010年3月開始施工,2011年7月全線通車,完成進(jìn)場道路一期施工.FAST工程觀測基地于2011年完成了1:200地形圖測繪,2012年8月啟動設(shè)計(jì),2015年10月順利開工建設(shè),2016年9月完成主體建筑施工工程.

4 FAST工程展望

FAST工程于2016年9月25日竣工.在FAST建設(shè)期間,為給FAST運(yùn)行作科學(xué)上的準(zhǔn)備,FAST工程成立了科學(xué)部,培養(yǎng)射電天文人才并進(jìn)行早期科學(xué)目標(biāo)研究,以期在FAST建成后能由中國科學(xué)家主導(dǎo)取得重大成果[7?9].

具有中國獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的FAST建成后,其靈敏度、天區(qū)覆蓋面和測量精度將大大超越世界上已建成的其他射電望遠(yuǎn)鏡,與美國A rceibo望遠(yuǎn)鏡相比,綜合靈敏度提升10倍,屆時將成為世界上口徑最大、最具威力的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡.FAST涵蓋的天文學(xué)內(nèi)容豐富,從宇宙初始混濁、星系演化、恒星乃至太陽、行星與鄰近空間事件等的觀測研究,都有非常強(qiáng)的競爭力,其中脈沖星探測、中性氫和奇異暗弱天體成像等課題蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)現(xiàn)機(jī)遇.作為一個多學(xué)科研究平臺,擬回答的問題不僅是天文的,也是面對人類與自然的.它還將在日地環(huán)境研究、深空探測和國家安全等方面發(fā)揮重要作用. FAST工程建設(shè)將推動中國眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展.

[1]Sch ilizzi R ichard T.P roceed ings of the SP IE,2004,5489:62

[2]南仁東,吳盛殷,馬駬,等.大射電望遠(yuǎn)鏡(LT)國際合作計(jì)劃建議書.北京:中國科學(xué)院北京天文臺,1994

[3]南仁東,任革學(xué),朱文白,等.天文學(xué)報(bào),2003,44:13

[4]Nan R D.ScChG,2006,49:129

[5]嚴(yán)俊,南仁東,王宜,等.500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)項(xiàng)目建議書.北京:中國科學(xué)院國家天文臺,2006

[6]Nan R D,Li D,Jin C J,et al.IJM PD,2011,20:989

[7]吳忠祖,Haynes M P,G iovanelli R,等.天文學(xué)報(bào),2015,56:112

[8]李菂,徐仁新,朱明,等.973項(xiàng)目:射電波段的前沿天體物理課題及FAST早期科學(xué)研究項(xiàng)目計(jì)劃任務(wù)書.北京:中國科學(xué)院國家天文臺,2011

[9]李菂,徐仁新,朱明,等.973項(xiàng)目:射電波段的前沿天體物理課題及FAST早期科學(xué)研究項(xiàng)目中期總結(jié)報(bào)告.北京:中國科學(xué)院國家天文臺,2013

FAST Construction P rogress

NAN Ren-dong1,2ZHANG Hai-yan1,2ZHANG Ying1YANG Li1CAIWen-jing1LIU Na1XIE Jia-tong1ZHANG Shu-xin1

(1 Na tiona l A stronom ica l O bserva to ries,Chinese A cadem y of Scien ces,Beijing 100012) (2 K ey Labo ra tory of Rad io A stronom y,Chinese A cadem y of Scien ces,Nan jing 210008)

The Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope(FAST)is a Chinese m ega-science p roject to build the largest single dish radio telescope in the world.A unique karst depression in Guizhou province has been selected as the site to build an active reflector radio telescope with a diam eter of 500 m and three outstanding aspects,which enables FAST to have a large sky coverage and the ability of observing astronom ical targetswith a high precision.Chinese Academy of Sciences and Guizhou province are in charge of FAST construction.The first light of the telescope was expected on September 25,2016.

radio astronomy,radio telescope,FAST

P111;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.06.001

2016-06-21收到原稿,2016-10-13收到修改稿

?國家發(fā)展和改革委員會項(xiàng)目(發(fā)改高技[2007]1538號)資助

?hyzhang@nao.cas.cn